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高模式瑞雷面波及其正反演研究

肖柏勋  
【摘要】: 瑞雷面波勘探法是一种新型的工程地球物理勘探方法。由于该方法具 有操作简便、探测速度快、对检测场地要求不高且能一次获得与深度相关 的地层面波速度参数的特点,因而在工程地质勘察和工程质量检测领域得 到了广泛的应用。瑞雷面波的频散曲线是反演地层结构的基本依据,对其 做出合理的解释是瑞雷波勘探的一项重要内容。实际工作中,瑞雷面波频 散曲线经常出现“之”字型结构。人们在遇到这类频散曲线时,往往凭直 观感觉或经验来划分地层界面的大致位置,而无法求取地层的面波速度参 数。由于对瑞雷面波频散曲线“之”字型结构的形成机理一直缺乏正确的 认识和了解,故其反演解释工作一直没有开展。因此,如何利用“之”字 型频散曲线反演地层结构和速度参数是摆在工程物探科技工作者面前的一 大难题。 本文在详细分析了国内外瑞雷面波的理论研究与应用现状之后,针对 “之”字型频散曲线问题,开展了水平层状介质中瑞雷面波传播的理论正 反演研究工作,数值计算了具有低速夹层和裂隙情形下的瑞雷面波频散曲 线,分析了“之”字型频散曲线形成的物理机制。研究发现,当地层中存 在软弱夹层或裂隙时,在同一震源频率条件下可能会激发出多个导波模式; 并发现这些高模式导波的出现是“之”字型瑞雷面波频散曲线产生的根本 原因。文中指出,在层状介质中进行瑞雷波法勘探时,“之”字型频散曲线 问题是难以避免的。 论文对高模式波的基本特性进行了深入研究,分析了震源频率、地层 参数等因素对高模式瑞雷面波频散曲线的影响。研究结果表明:高阶模式 出现个数的多少与震源的频率、盖层厚度以及地层的纵、横波速度和密度 等因素有关,但地层密度和纵波速度的变化对高模式导波的影响相对横波 速度而言要小得多。 关于高模式瑞雷面波的研究还有两个重要结论:1)高模式瑞雷面波 较之基阶模式波更易得到,且具有更大的穿透深度。当声波频率范围不是 很宽、中心频宰处在相对较高的范围时,瑞雷波的基阶模式波可能较弱, 而其它高阶模式波却较强,此时未必能得到可靠的基阶瑞雷波信号;2)高 模式瑞雷面波对地层参数变化的敏感性较之基阶模式波要强得多。不同地 层参数条件下所获得的基阶模式瑞雷波的频散曲线有时可能很相似,而相 应的高模波频散曲线却有明显的差别。这两个结论充分肯定了高模式瑞霄 面波在地层结构探测及其参数反演中的重要地位和作用,同时也说明仅使 用基阶模式波的频散曲线反演地层参数会得出不正确的结果,必须结合高 阶模式波进行频散曲线的反演。 论文最后根据正演结果,采用阻尼最小二乘法、模拟退火算法和遗传 算法等方法对“之”字型频散曲线进行了反演研究,并分析比较了各种方 法的优缺点。阻尼最小二乘法对给定的初始模型的依赖性较强,在实际倩 况中,此条件很难满足;模拟退火算法虽然放宽了初始值或初始值范围的 选取条件,但在求解过程中容易落入局部最优解陷阶,采用回火退火算法 可克服此问题:遗传算法全局寻优能力最强,是一种较好的反演算法。其 缺点是计算量较大,尤其是对多参数的反演计算。


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